Rivelazione e registrazione I dispositivi

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Immagini Digitali Rivelazione e registrazione I dispositivi Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Rivelazione e registrazione
È il processo di rivelazione e registrazione che “ferma” l’immagine su un supporto adatto agli usi successivi Tecnologie principali: FOTOCHIMICHE ex: pellicola fotografica ex: telecamera + dispositivo di memoria OPTOELETTRONICHE L’acquisizione di un’immagine digitale deve produrre come risultato un’immagine numerica su un supporto accessibile da parte di un dispositivo di calcolo Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

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trasduzione o rivelazione Lettura (scansione/ripresa) campionamento Scrittura (memorizzazione) quantizzazione Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

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I dispositivi La fotografia digitale utilizza numerosi dispositivi di acquisizione e trattamento, basati su differenti tecnologie: i sensori CCD o CMOS delle telecamere, delle fotocamere e degli scanner per creare e leggere le immagini, i monitor per visualizzarle, le stampanti per ottenere le copie su carta. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I sensori CMOS e CCD I sensori allo stato solido, fabbricati su silicio ed altri wafers (microprocessori o chips), sono stati sviluppati a partire dai primi anni '70. Essendo molto piccoli (pochi mm2), compatti e maneggevoli, hanno avuto subito grande sviluppo. Producono cariche elettriche quando sono colpiti dalla luce. In campo fotografico hanno trovato applicazione i CMOS e i CCD. Le fotocamere provviste di CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductors), meno sensibili dei CCD e più rumorosi, non sono ancora adatte alla fotomicrografia. La tecnologia CMOS è in fase di sviluppo e sicuramente migliorerà. CMOS Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I sensori CCD I CCD (Charge-Coupled Devices) sono tipici sensori video che equipaggiano praticamente tutte le videocamere e le camere digitali attuali di buon livello. Non solo sono piccoli e permettono di costruire camere miniaturizzate, ma hanno un consumo estremamente ridotto. Il sensore CCD è una lastrina di silicio a più strati (wafer a semiconduttori) ed è suddiviso, come un mosaico, in centinaia di migliaia o milioni di “tessere” microscopiche quadrate o rettangolari o, in alcuni casi, di altra forma, note come “photosites”o “photodiodi” o anche, impropriamente, come pixel. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I sensori CCD Quando un flusso di fotoni colpisce uno di questi fotodiodi e penetra nella sua struttura di silicio, dagli atomi di questo elemento vengono rilasciate cariche elettriche (elettroni) in quantità proporzionale all’intensità della luce che ha colpito il CCD. FOTODIODI ELETTRONI LIBERATI LUCE STRATO DI SILICIO FILTRI RGB ELETTRODI La corrente elettrica che si genera è un segnale analogico in quanto varia proporzionalmente (cioè in modo analogo) alla quantità di luce che ha colpito il sensore. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali 46

I sensori CCD Nel sensore, i fotodiodi possono essere disposti in fila (CCD lineare) oppure a formare una superficie rettangolare (CCD ad area o a matrice). CCD lineare CCD ad area o a matrice Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD lineari I CCD lineari hanno elevata risoluzione e registrano l’immagine effettuando la scansione della superficie dell’oggetto: in pratica un motore sposta la fila di CCD passo passo facendogli leggere l’intera superficie. Il CCD lineare al microscopio Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD lineari I fotodiodi rispondono solo alla luce, ma non alle sue lunghezze d’onda, cioè ai colori. Questa funzione viene ottenuta sovrapponendo a ciascun fotodiodo un filtro rosso, verde o blu (colori primari). A questo punto il CCD può essere paragonato all’occhio umano. Se si accostano tre sensori a CCD lineari, ciascuno provvisto di un diverso filtro RGB, è possibile effettuare una scansione su un oggetto colorato in un unico passaggio. . . . . CCD LINEARE FILTRI RBG Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD lineari I CCD lineari possono però essere usati solo con oggetti fermi e in luce continua, in quanto prima viene letto un colore, poi il seguente e infine il terzo, per cui è praticamente impossibile scansire in un tempo così breve da fermare un movimento. I CCD lineari infatti sono caratteristici degli scanner e delle camere digitali da studio. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD ad area o a matrice I CCD ad area o a matrice sono sensori CCD coperti da filtri RGB disposti in modo da coprire un’area rettangolare. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD ad area o a matrice Nelle fotocamere digitali più semplici il sensore è formato da gruppi di quattro fotodiodi che registrano la stessa informazione con colore diverso: 1→ R 2→ G 1→ B Scatto singolo con CCD a gruppi di quattro fotodiodi con filtri RGB La risoluzione finale è bassa poiché è come se il numero di fotodiodi del sensore fosse ridotto di quattro volte, e di conseguenza anche i pixel che generano. Appositi programmi di interpolazione riempiranno in un secondo tempo i “buchi di informazione” fra le quaterne di pixel, ma questo fa diminuire le discontinuità non aumentare la risoluzione. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD ad area o a matrice Fotocamere migliori registrano un’immagine eseguendo 3 scatti cambiando filtro (RGB). Si ha un miglioramento della risoluzione rispetto al tipo precedente, ma ancora la ripresa a colori è possibile solo con soggetto e fotocamera immobili. Il movimento è possibile solo per le riprese in bianco e nero. 3 scatti con 3 filtri diversi (ad es. su disco rotante) LUCE Filtro neutro per la messa a fuoco Matrice monocromatica Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

I CCD ad area o a matrice Un aumento decisivo di risoluzione si ha con l’utilizzo di 3 sensori monocromatici ad area, ciascuno coperto da un filtro RGB un sistema di prismi (beam splitter) devia ogni raggio luminoso in modo che colpisca contemporaneamente i tre sensori fotografia con un unico scatto tempi rapidi PRISMA DEVIATORE (beam-splitter) LUCE Camere che possono riprendere oggetti in movimento e scattare fotografie in rapida successione. Tre CCD a matrice monocromatica coperti di filtri RGB Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Realizzazione RGB Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Filtri di colore STRUTTURA TRASMISSIONE Light efficiency: × 0.8 ~ 24% Resolution: sub-pixel form a pixel Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Display terminology Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

RGB e CMYK Una vasta percentuale dello spettro visibile può essere rappresentata miscelando luci RGB → Il modello RGB è di tipo additivo R+G+B = W Spazio RGB usato per: illuminazione, video e monitor Il modello CMY si basa sulla proprietà della carta di assorbire luce: quando la luce colpisce gli inchiostri alcune l vengono riflesse, altre assorbite → Il modello CMY è di tipo sottrattivo C+M+Y = K A causa delle impurità presenti negli inchiostri non si ottiene un K puro Spazio CMYK è lo standard delle stampanti Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazi colorimetrici Le gamme RGB e CMYK non sono tutte uguali: Ogni monitor e ogni stampante visualizzano gamme diverse La gamma di colori prodotta da una periferica viene chiamata spazio colorimetrico Molti sistemi di elaborazione di immagini professionali (ad es. Photoshop) danno la possibilità di incorporare informazioni relative allo spazio colorimetrico all’interno di un file Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Monitor CRT Il sistema televisivo è concepito a partire dalla struttura del tubo a raggi catodici (CRT) che sintetizza il colore tramite integrazione spaziale dei fosfori RGB disposti a mosaico sullo schermo Lo spazio colore che si utilizza è quindi costruito in base alla cromaticità delle luci emesse dai tre tipi di fosfori Si ottiene uno spazio RGB in cui sono realizzabili solo i colori racchiusi, in un cubo i cui vertici rappresentano le coordinate cromatiche dei fosfori L’intersezione di questo spazio con il piano R+G+B = 1 produce un triangolo che può essere rappresentato nello spazio CIEXYZ e si chiama gamut del monitor Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Gamut di un monitor Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Gamut di colore Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio RGB al calcolatore
La rappresentazione del colore nei calcolatori è tipicamente pensata in funzione delle schede video che dovranno pilotare un monitor CRT e di basa sull’RGB Tipica rappresentazione è il truecolor che utilizza, per comandare i 3 segnali che vanno al monitor, 3 valori a 8 bit per ogni pixel È logico supporre, in mancanza di altre informazioni, che quando si lavora con immagini digitali al calcolatore si stia lavorando con valori acquisiti e corretti con un determinato fattore gamma Nel generare immagini sintetiche per le quali è importante la percezione umana, è invece importante conoscere le trasformazioni ed eventuali correzioni operate dalla scheda video Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio RGB Esistono circa 200 spazi RGB che dipendono dalle lunghezze d’onda e dagli illuminanti di riferimento RGB NTSC RGB PAL RGB ITU-R BT.709 (monitor più saturato e più usato) Spazio S-RGB standard 1996 HP e Microsoft ( Lo spazio sRGB utilizza un monitor virtuale con adattamento dei fosfori correzione gamma e punto di bianco come lo standard ITU-RBT-709 Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Modello HSV Gli spazi RGB e CMY sono stati concepiti in funzione dei dispositivi non della percezione umana Uno spazio molto utilizzato per l’analisi delle immagini è l’HSV, molto più vicino al nostro modo di “vedere” i colori Il modello HSV è una tipologia di specificazione di colore che permette di eseguire un’elaborazione di immagini per un’interfaccia con l’operatore umano. Come gli altri spazi per la grafica, si ricava come trasformazione di uno spazio RGB indefinito per coordinate e gamma. H = Hue Tinta S = Saturation Saturazione V = Value Valore Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Modello HSV Gli spazi RGB e CMY sono stati concepiti in funzione dei dispositivi non della percezione umana H = Hue, Tinta S = Saturation, Saturazione V = Value, Valore H = Tinta vera e propria S = Saturazione: distanza dal grigio più vicino V = Valore o illuminazione: quantità di luce o di bianco di un colore Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Modello HSV H = Hue S = Saturation V = Value È una trasformazione dello spazio RGB dove si definiscono, per ogni punto: Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Modello HSV Le coordinate sono allora date dalle seguenti formule: Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Modello HSV saturazione Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Il riferimento assoluto per tutte le definizioni di colore è lo spazio CIEXYZ ma ha il grande difetto di descrivere la natura fisica del colore senza relazione con la percezione dell’osservatore Nel 1976 per superare questo limite nasce lo spazio CIELAB che è lo standard nella pratica industriale La prima coordinata, la Lightness (chiarezza) CIE1976, riproduce la percezione della luminosità dell’Osservatore Standard riferito ad un illuminante le cui caratteristiche sono (Xn,Yn=100,Zn) può essere ottenuta dalle coordinate XYZ È, con ottima approssimazione, una scala uniforme ed è definita nell’intervallo [0,100] Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Il documento CIE 15:2004 Colorimetry definisce la chiarezza CIE 1976 in funzione del fattore di luminanza Y (che assume valori tra 0 e 1) con la seguente formula dove il termine f(Y) è definito: L* assume dunque valori tra 0 e 100 In pratica la formula per la chiarezza CIE 1976 è: Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Il documento CIE 15:2004 Colorimetry definisce le due coordinate cromatiche a* e b* a partire da xn,yn e zn: dove i termini f(xn) e f(zn) sono definiti come: Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Su ogni piano a chiarezza costante si possono definire angolo di tinta (hue) e croma (saturazione) (L*,C*,h) Per le differenze di colore: La differenza di tinta può essere valutata con la quantità lineare DH*, equivalente della quantità angolare Dh: La differenza di tinta, contrariamente all’angolo di tinta, non può mai essere indefinita Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Basato sulla teoria dei colori opponenti di Hering che sostiene che il sistema visivo genera segnali in coppie opponenti: il giallo si oppone al blu, il rosso al verde e il nero al bianco. Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Spazio CIELAB Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Quantizzazione cromatica La risoluzione cromatica è un compresso costo/prestazioni In applicazioni tipiche della grafica non sempre è necessario avere a disposizione tutti i colori delle immagini truecolor (24 bit per pixel, 8 per ogni canale) È possibile risparmiare spazio di memorizzazione e ridurre il carico computazionale, riducendo il numero di colori Per ridurre il numero di livelli di colore: si usano meno bit per banda (es o nel caso dell’hicolor a 15 e 16 bit rispettivamente) si usa una look-up table (mappa di colori): si sceglie un numero finito di colori (es. 256) memorizzati su una tabella ed il valore del pixel è un puntatore a tale tabella che contiene terne RGB Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Selezione della palette L’elenco dei colori disponibili è chiamato palette (più comune dell’italiano paletta, comunque corretto) Nel passato la scheda CGA aveva una palette a 4 colori, l’EGA a 16 colori fino alla “rivoluzione” della scheda VGA che consentiva una palette a 256 colori Nell’operazione di quantizzazione dei colori ha un ruolo fondamentale la scelta della palette È possibile utilizzare una palette standard che contenga un sottoinsieme dei possibili colori, scelto dividendo il cubo RGB in un numero standard di passi per ogni canale. Questa operazione può essere fatta scegliendo un passo pari a: dove Elem indica il numero di elementi da inserire nella palette Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

Selezione della palette Elem = n° elementi palette N = n° passi Nel caso di 256 elementi il numero di passi è uguale a 6 che porta ad una palette di 216 elementi equispaziati, mentre i restanti possono essere scelti a piacere (ad es. tonalità di rosa per meglio rappresentare la pelle) Analisi delle immagini applicata ai Beni Culturali

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